엔트로피(질서 및 장애)

Entropy (order and disorder)
볼츠만의 분자(1896)는 고체의 "정지 위치"에 표시된다.

열역학에서 엔트로피는 종종 열역학 시스템에서 순서나 장애의 양과 연관된다. 이는 모든 열역학적 과정이 "작업체 구성부품의 배열의 어떤 방식으로든 변경에 감소[축소]되는 것을 항상 수용한다"는 루돌프 클로시우스의 1862년 주장에서 비롯되며, 이러한 변경과 관련된 내부 작업은 "엔트로피" 변화에 의해 정력적으로 정량화된다. 다음과 같은 미분 표현에 따라:[1]

0 Q 0 여기서 Q = 주변으로부터 시스템으로 역방향으로 전달되는 운동 에너지("열")와 T = 전송이 발생하는 절대 온도

그 후 몇 년 동안 루드비히 볼츠만은 이러한 '배열의 변화'를 기체상 분자계통의 질서와 무질서에 대한 확률론적 시각으로 번역했다. 엔트로피의 맥락에서 '완벽한 내적 장애'는 흔히 열역학적 평형을 묘사하는 것으로 간주되어 왔지만, 열역학적 개념은 일상적 사고와는 거리가 멀기 때문에 물리학과 화학에서 이 용어를 사용하는 것은 많은 혼란과 오해를 불러일으켰다.

최근 엔트로피 개념을 해석하기 위해 '배열의 변경'을 더 자세히 설명함으로써 '순서'와 '분열'이라는 단어에서 '스프레드'와 '분열'과 같은 단어로의 전환이 있었다.

역사

이러한"분자 순서"클로시우스가 개발한분자 운동 해석, 특히 분자 분자 분리에 대한 1862년의 시각적기원을 추적한다 개념에서 관점은 1850년대에 루돌프 엔트로피. 마찬가지로 1859년 클로스우스의 분자 확산에 관한 논문을 읽은 후 스코틀랜드의 물리학자 제임스 서기 맥스웰은 분자 속도의 맥스웰 분자 분자 분자 분포를 공식화하였는데, 이는 특정 범위에서 일정한 속도를 갖는 분자의 비율을 부여하였다. 이것은 물리학에 있어서 최초의 통계법이었다.[2]

1864년, 비엔나의 어린 학생인 루드비히 볼츠만은 맥스웰의 논문을 우연히 접하게 되었고, 그 논문에서 영감을 받아, 그의 길고 뛰어난 생애의 많은 부분을 이 과목을 더욱 발전시키는 데 보냈다. 후에 볼츠만은 기체의 행동에 대한 운동 이론을 발전시키기 위한 노력에서 맥스웰과 클라우시우스의 엔트로피 분자 해석에 확률의 법칙을 적용하여 질서와 무질서의 측면에서 엔트로피를 해석하기 시작했다. 마찬가지로 1882년 헤르만 폰 헬름홀츠는 엔트로피를 묘사하기 위해 "Unordnung"(장애)이라는 단어를 사용했다.[3]

개요

질서와 무질서가 엔트로피의 관점에서 측정되는 것으로 일반적으로 이해된다는 사실을 강조하기 위해, 아래는 엔트로피의 현행 과학 백과사전 및 과학 사전 정의들이다.

  • 시스템 에너지 사용불능 측정값. 또한 무질서의 측정값. 엔트로피가 클수록 무질서는 더 크다.[4]
  • 무질서의 척도; 엔트로피가 클수록 무질서가 더 크다.[5]
  • 열역학에서, 원자, 이온 또는 분자 수준에서 시스템의 무질서의 상태를 나타내는 매개변수; 장애가 클수록 엔트로피가 높아진다.[6]
  • 우주의 무질서를 측정하는 척도 또는 시스템 내 에너지를 사용할 수 없는 척도.[7]

엔트로피와 장애는 또한 평형과의 연관성을 가지고 있다.[8] 기술적으로 엔트로피는 열역학적 특성으로 정의되는데, 이 특성은 시스템이 평형(즉, 내부 장애)에 얼마나 가까운지를 측정하는 척도 역할을 한다.[9] 마찬가지로 열역학 시스템에서 원자와 분자 분포의 엔트로피의 가치는 입자의 배열에서 나타나는 장애를 측정하는 척도다.[10] 예를 들어 늘어난 고무 조각에서, 구조물의 분자 배치는 "순서가 정해진" 분포를 가지며 엔트로피는 제로인 반면, 확장되지 않은 상태의 고무에 있는 원자와 분자의 "순서가 된" 꼬임 분포는 양의 엔트로피를 가진다. 마찬가지로 기체에서는 모든 분자가 한 곳에 있을 때 순서가 완벽하고 계통의 엔트로피 측정치가 가장 낮은 반면, 더 많은 지점을 점유할 때는 더욱 무질서하고 계통의 엔트로피 측정치가 가장 큰 가치를 가진다.[10]

시스템 생태학에서, 또 다른 예로서, 시스템을 구성하는 항목들의 집합의 엔트로피는 그 무질서의 척도로 정의되거나 또는 항목의 순간 구성의 상대적 가능성으로 동등하게 정의된다.[11] 게다가, 이론 생태학자 및 화학 기술자인 로버트 울라노비츠에 따르면, "그 엔트로피가 이전에 주관적인 무질서의 정량화를 제공할지도 모른다"는 것은 수많은 과학적이고 철학적인 내러티브를 낳았다.[11][12] 특히, 많은 생물학자들은 유기체의 엔트로피, 또는 그 반대어인 부정의 관점에서 유기체 내의 구조적 질서의 척도로써 말하기 시작했다.[11]

엔트로피 연관성에 관한 수학적 근거는 질서와 무질서와 관련된 것으로, 본질적으로 유명한 볼츠만 공식으로 = k W S W과(와)가 시작되었는데 엔트로피 S는 시스템을 찾을 수 있는 가능한 상태 W의 수와 관련이 있다.[13] 예를 들어, 두 섹션으로 나뉜 상자를 생각해 보십시오. 입자가 상자 안의 다른 위치에 무작위로 할당될 때 특정 수, 즉 모든 입자가 한 부분과 다른 부분에서 발견될 확률은 얼마인가? 만약 한 개의 입자만 있다면, 한 개의 입자 체계는 두 개의 상태, 즉 상자의 한 면과 다른 면으로 생존할 수 있다. 입자가 두 개 이상 있거나 상태를 상자의 추가 위치 하위 영역으로 정의하면 상태 수가 더 크기 때문에 엔트로피가 더 크다. 볼츠만 방정식의 엔트로피, 질서와 무질서의 관계는 물리학자들 사이에서 너무나 분명하여 열역학 생태학자 스벤 조겐센과 유리 스비레제프의 견해에 따르면 "엔트로피가 질서의 척도 또는 가장 가능성이 높은 시스템 내의 무질서의 척도임이 명백하다"[13]고 한다. 이런 방향에서 1865년 루돌프 클로시우스가 명기한 열역학 제2법칙에는 다음과 같이 명시되어 있다.

우주의 엔트로피는 최대치에 이르는 경향이 있다.

그러므로 엔트로피가 무질서와 관련되고 우주의 엔트로피가 최대 엔트로피로 향한다면, 많은 사람들은 종종 클라우시우스의 가장 유명한 버전의 제2법칙과 관련하여 진화의 "순서" 과정과 작동에 대해 어리둥절해 하는 경우가 있는데, 이 법칙은 우주가 최대 "순서"로 향한다고 명시하고 있다. 예를 들어, 스티븐 스트로가츠의 2003년 책 SYNC - 자발적 질서의 신흥 과학에서 우리는 "과학자들은 종종 우주에 자발적 질서의 존재에 당황해 했다. 열역학 법칙은 그 반대, 즉 자연이 더 큰 무질서와 엔트로피 상태로 변질되어야 한다는 것을 지시하는 것처럼 보인다. 하지만 우리 주위에서 우리는 은하계, 세포, 생태계, 인간 등 거대한 구조물들이 어떻게 해서든 스스로 조립할 수 있었던 것을 볼 수 있다." [14]

이를 설명하기 위해 사용되는 일반적인 주장은 국소적으로는 태양열 가열 작용과 같은 외부 작용에 의해 엔트로피가 낮아질 수 있으며, 이는 냉실 내의 엔트로피가 감소되고 있는 냉장고 같은 기계와 같은 기계에 적용되며, 크리스탈이 자라는 것과 살아있는 유기체에 적용된다는 것이다.[9] 그러나 이러한 국소적 증가는 주변 환경의 엔트로피 증대를 희생해야만 가능하다. 여기서 더 많은 장애가 발생해야 한다.[9][15] 이 진술의 컨디셔너는 살아있는 시스템이 열, 질량 및 작업 둘 다 시스템에 전달되거나 시스템 밖으로 전달될 수 있는 개방된 시스템이라고 충분하다. 온도와는 달리, 유기체가 열역학적으로 격리된다면, 살아있는 시스템의 투입 엔트로피는 급격히 변화할 것이다. 만약 어떤 유기체가 이러한 유형의 "단열" 상황에 있다면, 그 엔트로피는 그 유기체의 한때 살아 있던 구성 요소들이 인식할 수 없는 질량으로 부패하면서 현저하게 증가할 것이다.[11]

위상 변화

이러한 초기 개발로 인해 엔트로피 변화 ΔS의 대표적인 예는 위상 변화와 관련된 것이다. 예를 들어 일반적으로 분자 규모로 주문되는 고형물의 경우 일반적으로 액체에 비해 엔트로피가 작으며 액체는 가스보다 엔트로피가 작고 차가운 가스는 뜨거운 가스보다 엔트로피가 작다. 더욱이, 열역학 제3법칙에 따르면, 절대 영온에서 결정체 구조는 완벽한 "순서"와 영 엔트로피를 가지기 위해 근사하게 추정된다. 이러한 상관관계는 순서가 지정된 시스템에서 사용할 수 있는 서로 다른 미세한 양자 에너지 상태의 수가 일반적으로 순서가 잘못된 것으로 보이는 시스템에서 사용할 수 있는 상태의 수보다 훨씬 작기 때문에 발생한다.

볼츠만은 1896년 그의 유명한 가스 이론 강의에서 신체의 각 분자가 "휴식 위치"를 가지고 있다고 가정하여 위에서 보여 준 바와 같이 고체 신체의 구조를 도표화한다. 볼츠만에 따르면, 만약 그것이 이웃 분자에 접근한다면, 그것은 그것에 의해 물리치지만, 만약 그것이 더 멀리 움직이면 매력이 있다. 물론 이것은 그 시대에 혁명적인 관점이었다;[16] 많은 사람들은, 이 기간 동안, 원자나 분자의 존재를 믿지 않았다. 이러한 초기 견해와 윌리엄 톰슨이 개발한 것과 같은 다른 견해에 따르면, 고체에 열의 형태로 된 에너지가 첨가되어 액체나 기체로 만들면, 일반적인 서술은 원자와 분자의 순서가 온도 상승과 함께 더 무작위적이고 혼란스러워진다는 것이다.

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따라서 볼츠만에 따르면 열운동의 증가로 인해 작동 물질에 열이 추가될 때마다 분자의 나머지 위치가 밀려나고 신체가 팽창하며 이로 인해 더 많은 어금니 분자의 분포와 배열이 생성될 것이라고 한다. 이러한 질서 정연한 배열은 결과적으로 확률 인수를 통해 엔트로피 측정의 증가와 상관관계가 있다.[17]

엔트로피 추진주문

엔트로피는 역사적으로 클라우시우스와 헬름홀츠에 의해 무질서와 연관되어 왔다. 그러나 일반적인 표현에서 질서는 기체와 비교하여 결정에서 발견되는 것과 같은 조직, 구조적 규칙성 또는 형태를 묘사하는 데 사용된다. 이 평범한 질서의 개념은 란다우 이론에 의해 정량적으로 설명된다. 란도이론에서 일상적 의미에서의 질서의 발달은 수학적 수량, 즉 이른바 순서 매개변수의 가치의 변화와 일치한다. 결정화를 위한 주문 매개변수의 예로는 우주에서 선호하는 방향(결정적 축)의 개발을 기술하는 "본드 방향 순서"가 있다. 많은 시스템에서 구조(예: 결정) 순서가 더 높은 위상은 동일한 열역학 조건에서 유체 위상보다 엔트로피가 적다. 이러한 경우 엔트로피의 상대적 양(Closius/Helmholtz 개념의 순서/해제)에 따라 또는 구조적 규칙성의 존재(질서/해제의 란도 개념에 따라)에 따라 순서가 정해지고 순서가 정해지는 단계 라벨이 생성된다.

그러나 엔트로피 추진 질서를 나타내는 시스템은 광범위하며[18], 동일한 열역학 조건 하에서 조직 또는 구조 규칙성(예: 결정)이 있는 페이즈가 구조적으로 분산된(예: 유체) 페이즈보다 엔트로피가 더 높다. 이러한 시스템 단계에서는 엔트로피(Closius 또는 Helmholtz)가 더 높기 때문에 (Closius 또는 Helmholtz의 의미)가 더 이상 분류되지 않는 것으로 분류될 수 있는 단계들은 일상적 의미와 란다우 이론 양쪽 모두에서 명령된다.

적절한 열역학 조건 하에서 엔트로피는 시스템이 순서가 정해진 액체 결정체, 결정체, 퀘이시크리스탈을 형성하도록 유도하기 위해 예측되거나 발견되었다.[19][20][21] 많은 시스템에서 방향의 내향성 힘은 이러한 행동을 촉진한다. 좀 더 최근에는 표적 주문 구조물의 입자를 정밀하게 설계하는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다.[22]

단자화

초저온을 추구할 때는 단열체 분자화라고 하는 온도하강 기법을 사용하며, 여기서 원자 엔트로피 고려사항을 이용하며, 이를 순서배열 용어로 설명할 수 있다.[23] 이 과정에서 분자가 작은 자석에 해당하는 크롬알룸염과 같은 고체의 샘플은 저온(일반적으로 2~4 켈빈)으로 냉각된 절연 외함 안에 들어 있으며, 강력한 외부 자석을 이용하여 용기에 강한 자기장을 가하여 작은 분자 자석이 정렬되어 a를 형성하고 있다. 그 낮은 온도에서 잘 조절된 "온도" 상태 이 자기 정렬은 각 분자의 자기 에너지가 최소라는 것을 의미한다.[24] 그런 다음 외부 자기장이 감소하여, 거의 가역성이 있다고 간주되는 제거가 된다. 이 감소 후, 원자석은 열적 연소로 인해 "최종" 상태에서 무작위적으로 순서가 덜한 방향을 가정한다.

단분자화 과정에서 엔트로피 "주문"/"배제" 고려사항

"분열"과 그에 따라 원자 선형의 변화와 관련된 엔트로피가 분명히 증가했다.[23] 에너지 흐름의 측면에서 보면, 자석적으로 정렬된 상태에서의 움직임은 열 에너지를 자력에너지로 변환시키는 분자의 열 운동으로부터 에너지를 필요로 한다.[24] 그러나 열역학 제2법칙에 따르면, 열역학에서는 용기의 단열 때문에 용기에 열이 들어가거나 나올 수 없기 때문에, 시스템은 엔트로피에 변화가 없어야 한다. 즉, ΔS = 0. 그러나, 원자 자석의 무작위화 방향과 관련된 무질서의 증가는 엔트로피 증가를 나타낸다. 이를 보완하기 위해서는 시료의 온도와 관련된 장애(엔트로피)를 같은 양만큼 줄여야 한다.[23] 따라서 온도는 열 에너지가 자기 에너지로 변환되는 이 과정의 결과로 떨어진다. 이때 자기장을 증가시키면 온도가 상승하고 액체 헬륨과 같은 차가운 물질을 사용하여 자기소금을 다시 냉각시켜야 한다.[24]

"해제"라는 용어의 어려움

최근 엔트로피를 논의하기 위해 오랫동안 "장애"라는 용어를 사용했던 것이 일부 비판에 직면했다.[25][26][27][28][29][30] 이 용어에 대한 비판자들은 엔트로피가 '분열'이나 '차'의 척도가 아니라, 에너지가 더 많은 마이크로스테이트로 확산되거나 분산되는 척도라고 말한다. 섀넌이 정보 이론에서 '엔트로피'라는 용어를 사용하는 것은 신호의 내용을 포괄하는 데 필요한 가장 압축되거나 가장 적게 분산된 코드의 양을 가리킨다.[31][32][33]

참고 항목

참조

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외부 링크